基于ARM技术的uClinux系统设计与应用分析

根文件系统是构建一个 uCLinux 嵌入式系统的重要组成部分。目前嵌入式系统可以选择的根文件系统有：Romfs、CramFS、Ramfs、Jffs2、Ext2 等等，本系统采用 CramFS 作为 uCLinux 嵌入式系统的只读根文件系统。本文讨论了 CramFS 文件系统的特点，并详细的说明了 Nor Flash 上建立一个 uClinux 的 Cramfs 根文件系统的一般步骤。

一、引言

随着电子产业的不断发展，基于 ARM 技术的系统设计和开发平台越来越多地在控制类、消费类、通信类等电子产品中广泛应用。从软件角度上看，构建基于 ARM 技术的 uClinux 系统要涉及到引导加载程序、Linux 内核、文件系统、用户应用程序几部分的设计。

文件系统是操作系统中用来管理用户文件的内核软件层。文件可能存在于磁盘、网络或者是一些虚拟的文件。文件系统包括根文件系统和建立于内存设备之上文件系统。根文件系统是 uClinux 系统的核心部分，包含系统使用的软件和库，以及所有用来为用户提供支持架构和用户使用的应用软件，并作为存储数据读写结果的区域。由于嵌入式设备中 Flash 资源很紧张，如何有效地使用有限的存储空间是嵌入式开发者必须考虑的，合适的文件系统格式是解决这一问题的关键所在。本文讨论了只读压缩 CramFS 文件系统的特点，并详细的说明了 Nor Flash 上建立一个 uClinux 的 Cramfs 根文件系统的一般步骤。

二、开发环境简介

本系统采用的是宿主机+目标板的开发模式，宿主机为 PC+Cygwin1.5.1 ，目标板为采用 203MHz 的 ARM920T 内核的处理器 S3C2410x+uClinux， uClinux 版本为 2.4.18。在宿主机上将 uClinux 和应用程序编译后，下载到目标板的 Nor Flash 中，启动运行。使用的 SDRAM 是 2 片 16MB 的 HY57v561620，工作在 16bit 双字节模式下；使用的 Flash 是 2 片 AMD AM29LV160DB，大小为 2M 字节，工作在 16bit 双字节模式下。在开发的时候，将 Boot Loader 烧入 AM29LV160DB 的 1-5 扇区；将 Linux 内核映象文件 zImage 烧入 6-17 扇区；将 CramFS 文件系统映象文件烧入 18-35 扇区。

三、 Cramfs 文件系统简介

CramFS（Compressed Rom File System）是 Linux Torvalds 在 Transmeta 任职时，所参与开发的文件系统。它是针对 Linux 内核 2.4 之后的版本所设计的一种新型只读文件系统，采用了 zlib 压缩，压缩比一般可以达到 1：2，但仍可以作到高效的随机读取，Linux 系统中，通常把不需要经常修改的目录压缩存放，并在系统引导的时候再将压缩文件解开。因为 Cramfs 不会影响系统的读取文件的速度，而且是一个高度压缩的文件系统。因此非常广泛应用于嵌入式系统中。

在嵌入式的环境之下，内存和外存资源都需要节约使用。如果使用 RAMDISK 方式来使用文件系统，那么在系统运行之后，首先要把 Flash 上的映像文件解压缩到内存中，构造起 RAMDISK 环境，才可以开始运行程序。但是它也有很致命的弱点。在正常情况下，同样的代码不仅在 Flash 中占据了空间（以压缩后的形式存在），而且还在内存中占用了更大的空间（以解压缩之后的形式存在），这违背了嵌入式环境下尽量节省资源的要求。

使用 CramFS 文件系统就是一种解决这个问题的方式。CramFS 是一个压缩格式的文件系统，它并不需要一次性地将文件系统中的所有内容都解压缩到内存之中，而只是在系统需要访问某个位置的数据的时候，马上计算出该数据在 CramFS 中的位置，将它实时地解压缩到内存之中，然后通过对内存的访问来获取文件系统中需要读取的数据。CramFS 中的解压缩以及解压缩之后的内存中数据存放位置都是由 CramFS 文件系统本身进行维护的，用户并不需要了解具体的实现过程，因此这种方式增强了透明度，对开发人员来说，既方便，又节省了存储空间。

一个完整的 cramfs 文件系统通常包含以下几个目录：

/linuxrc 启动脚本文件，由 Boot Loader 核心命令行确定 init=/linuxrc，加载 /etc 目录为 ramfs，（cramfs 为只读文件系统），拷贝 /mnt/etc 到 /etc，配置文件目录重新加载根文件系统和 /etc 文件系统，执行 init 进程。

/bin 引导启动所需的命令或用户可能用的命令。

/sbin 系统管理员服务程序，其中最重要的是供内核初始化之后执行的 /sbin/init 进程，系统启动时由 init 解释并运行 /etc/inittab， inittab 将指导 int 去调用一个系统初始化程序 /etc/init.d/rcS。

/etc 特定机器的配置文件以及用户数据存放目录，其中的所有内容是在内核运行后，由 linuxrc 从 /mnt/etc 拷贝得到的。

/lib 文件系统上的程序所需的动态库。

/dev 驱动程序存放目录，可以在这里存放自己编写的驱动程序。

/usr 用于存放用户程序和配置文件的目录，可以根据需要进行设置。目录下的 /usr/etc/rc.local 执行本地所需要的初始化，如安装核心模块，进行网络，运行应用程序，启动图形界面等。/etc/modules.conf 在系统运行期间自动加载模块。

/mnt 用于设备安装的目录。/mnt/etc/init.d/rcS 完成各个文件系统的 Mount，执行 /usr/etc/rc.local；通过 rcS 可以调动 dhcp 程序配置网络。rcS 执行完以后，就会打开 Shell。

/proc 系统状态文件目录， 目录中的文件可以用于访问有关内核的状态、计算机的属性、正在运行的进程的状态等信息。尽管 /proc 中的文件是虚拟的，但它们仍可以使用任何文件编辑器或像‘more’， ‘less’或 ‘cat’这样的程序来查看。

四、 Cramfs 文件系统的移植过程

文件系统是紧跟 uCLinux 内核放置，由内核加载，主要存放用户应用程序和配置信息。CramFS 文件系统的基本组成：初始化程序、Shell 程序以及其他 Linux 常用工具、配置文件、链接库、图形界面程序和用户应用程序等。本节将介绍移植 CramFS 文件系统的具体操作方法。

4.1、在内核中加入对 CramFS 文件系统支持

想要在系统中提供 CramFS 的能力，我们必须要在编辑 uCliunx 内核时把支持 CramFS 的选项加入。尽管 uCLinux 可以以模块的形式加载各种类型的设备驱动上，但我们选择直接把设备驱动及 CramFS 文件系统静态地编译进内核中。

在 Memory Technology Devices （MTD）选项中进行配置：

Memory Technology device （MTD） support［Y/m/n/？］ Y 内存技术设备支持

MTD partitioning support ［Y/m/n/？］ Y 支持 MTD 分区

Direct char device access to MTD devices［Y/m/n/？］ Y MTD 字符设备直接访问

Caching block device access to MTD devices［Y/m/n/？］ Y MTD 块设备缓冲访问

在 File systems 选项中进行配置：

Compressed ROM file system support ［Y/m/n/？］ Y ROM 文件系统的支持

完成上述修改并编译后，完成 uCliunx 内核对 CramFS 文件系统的支持。

4.2、拷贝需要加入的其他文件和链接库

（1）、Busybox 是 Debian GNU/Linux 的大名鼎鼎的 Bruce Perens 首先开发的。Busybox 编译出一个单个的独立执行程序，就叫做 busybox。但是它可以根据配置，执行 ash shell 的功能，以及几十个各种小应用程序的功能。这其中包括有一个迷你的 vi 编辑器，系统不可或缺的 /sbin/init 程序，以及其他诸如 ifconfig， halt， reboot， mkdir， mount， ln， ls， echo， cat 等等。而所有这一切功能却只有区区 1M 左右的大小，Busybox 已经成为构建嵌入式 Linux 文件系统的必备软件。

首先我们从官方网站（http://www.busybox.org/）上下载 BusyBox 的版本 1.0.0。

#tar xvfz busybox-1.00.tar.gz

#cd busybox-1.00

#make menuconfig

下面是需要编译进 busybox 的功能选项，其他的可以根据需要自选。

Build Options

Build BusyBox as a static binary （no shared libs）

这个选项是一定要选择的，这样才能把 busybox 编译成静态链接的可执行文件，运行时才独立于其他函数库，否则必需要其他库文件才能运行，在单个 linux 内核不能使他正常工作。

Do you want to build BusyBox with a Cross Compiler

选择你自己定义的交叉编译环境。

installation Options

don’t use /usr

这个选项也一定要选，否则 make install 后 busybox 将安装在原系统的 /usr 下，这将覆盖系统原有的命令。选择这个选项后，make install 后会在 busybox 目录下生成一个叫 _install 的目录，里面有 busybox 和指向他的链接。

其他选项都是一些 linux 基本命令选项，自己需要哪些命令就编译进去，一般用默认的就可以了，配置好后退出并保存。编译 BusyBox，如果能成功编译 BusyBox，就将编译好的 busybox 复制到 CramFS 文件系统的 /bin 目录下，然后创建常用命令的建立快捷方式。建立快捷方式很简单，只要建一个符号链接，比方 ln -s /bin/busybox /bin/ls，那么，执行 /bin/ls 的时候，busybox 就会执行 ls 的功能，也会按照 ls 的方式处理命令行参数。

（2）、拷贝一些管理员控制程序到 /sbin 目录下，最重要的就是要包含一个 init 命令，可以使用 busybox 提供的系统工具。比如 ln -s /bin/busybox /sbin/init，这样我们就有了系统运行不可或缺的 /sbin/init 程序了。

（3）、拷贝应用程序运行时所需要的库到 /lib，库文件可以从 PC 机上的交叉编译工具安装目录下拷贝，如 libc-2.2.2.so、libcryt-2.2.2.so、libm-2.2.2.so、libutil-2.2.2.so 等，为部分相应库建立快捷方式，提供一些应用程序按快捷方式名称调用。值得注意的是 C 库要采用 C 库的版本 glibc， glibc 位于 /lib/libc.so.6。

4.3 、利用 mkcramfs 工具生成 cramfs 压缩文件系统

一般情况下都要把已经规划好的目录结构转换成一个映象文件，创建 Cramfs 文件系统需要 mkcramfs 工具，mkcramfs 能把相应的 Cramfs 目录树压缩成为单一的映象文件，这个映象文件就是我们需要移植的文件系统。Mkcramfs 的命令格式为：

Mkcramfs ［-h］ ［--e edition］ ［-I file］ ［-n name］ DirName OutFile

#mkcramfs root cramfs.Img

用以上的命令就可以生成我们需要的 cramfs 文件系统映象文件，我们可以发现原本为 2.36Mbytes 大小的目录内容，被压缩成一个 1.08Mbytes 的 CramFS 文件系统映象文件， 通过 vivi 或测试程序将其写入 Flash 中就可以验证是否移植成功。

五、小结

CramFS 是一个压缩格式的文件系统，如果系统存储资源比较紧张的话，采用 CramFS 作为嵌入式 Linux 系统的根文件系统是一个不错的选择。